Вестник РАН, 2021, T. 91, № 11, стр. 1048-1062

Орбитальная обсерватория “Спектр-Рентген-Гамма” (“Спектр-РГ”, или “СРГ”) [1] была выведена на протяжённую орбиту вокруг второй точки Лагранжа L2 системы “Солнце−Земля” спустя 100 дней после старта 13 июля 2019 г. с космодрома “Байконур” российского ракетоносителя “Протон-М” с разгонным блоком ДМ-03 (рис. 1).

Рис. 1.

Проекция траектории космического аппарата “Спектр-РГ” на плоскость эклиптики

Пунктиром обозначена орбита Луны. К1, К2, К3 − моменты проведения трёх коррекций траектории на перелёте. Справа от квадрата К3 указан момент “замыкания” рабочей орбиты после полного оборота (орбита незамкнута), а выше − положение обсерватории через полгода после выхода на рабочую орбиту (квазипериодическая орбита, или КПО)

Изображение: Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН

Успешный запуск обсерватории стал знаменательным событием для отечественной науки: впервые российский космический аппарат выведен во вторую точку Лагранжа системы “Солнце−Земля”, находящуюся на расстоянии 1.5 млн км от Земли. В окрестностях этой точки яркие Солнце, Земля и Луна находятся всегда с одной и той же стороны от космического аппарата, что позволяет телескопам вести круглосуточные наблюдения на протяжении многих лет, заметно упрощает работу системы терморегулирования платформы “Навигатор” и установленных на ней телескопов, а ещё − эффективно использовать систему пассивного охлаждения детекторов излучения, использующих радиаторы для отвода избыточного тепла в открытый космос в противоположном от Солнца и Земли направлении. С октября 2019 г. орбитальная обсерватория “Спектр-РГ” успешно работает на гало-орбите вокруг точки L2.

Этот масштабный проект осуществляется в соответствии с Федеральной космической программой по инициативе Российской академии наук и её Института космических исследований (ИКИ). На платформе “Навигатор” (Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина, Госкорпорация “Роскомос”) [1], установлены рентгеновские телескопы с оптикой косого падения: extended Roentgen Survey with an Imaging Telescope Array – еROSITA, изготовленный Институтом внеземной физики Общества им. Макса Планка (МРЕ), Германия) [2] и российский Астрономический рентгеновский телескоп им. М.Н. Павлинского − Astronomical Roentgen Telescope – X-ray Concentrator (ART-XC)¹¹ [3] (рис. 2). Это было сделано в соответствии с меморандумом, подписанным в 2007 г. между Российским космическим агентством (с 2015 г. − ГК “Роскосмос”) и Аэрокосмическим агентством Германии (Deutsche Zentrum für Luft und Raumfahrt − DLR). Детекторы телескопа еROSITA чувствительны к рентгеновским лучам в диапазоне энергий 300 эВ–8 кэВ, а АRT-ХС − в диапазоне 4–30 кэВ.

Рис. 2.

“Спектр-РГ” в чистовых помещениях НПО им. С.А. Лавочкина перед вывозом на космодром – а;

“Спектр-РГ” в полёте (НПО им. С.А. Лавочкина) − б

Каждый из двух телескопов содержит по семь зеркальных систем косого падения

Платформа “Навигатор” позволяет телескопам вести наблюдения в трёх режимах: сканирование всего неба (основной режим), сканирование наиболее интересных протяжённых участков неба размером до 150 град² (квадратных градусов), длительные наблюдения наиболее интересных источников при трёхосной стабилизации аппарата.

Обсерватория вращается с периодом 4 часа вокруг оси, направленной к Солнцу. В течение суток плоскость вращения аппарата, следуя за Солнцем, поворачивается на один градус. В режиме сканирования всего неба “Спектр-РГ” осуществляет один оборот вокруг L2 за полгода. За это время в процессе сканирования всего неба обсерватория строит его полную карту. Таким образом, телескопы космического аппарата позволяют исследователям наблюдать каждый источник на небе раз в полгода шесть раз в течение одних суток (eROSITA) или четыре раза (ART-ХС, поле зрения которого несколько меньше). На рисунке 3 представлены первые попытки группы управления в НПО им. С.А. Лавочкина наладить непрерывный режим сканирования неба. Видны первые одиночные сканы, приводящие к появлению на карте телескопа eROSITA полосок шириной в один градус дуги. Виден и момент, когда один день наблюдений был пропущен: на карте осталась пустая полоска. Чувствительность обзора неоднородна по небу. Все полоски пересекаются в Северном и Южном полюсах эклиптики, что приводит к более высокой экспозиции и высокой чувствительности вблизи них (детальное обсуждение в статье [1]).

Рис. 3.

Карта половины неба в диапазоне 0.4−2 кэВ, полученная телескопом еROSIТА спустя месяц после начала регулярного сканирования неба

Оси телескопов обсерватории описывают большие круги на небе, проходящие через Северный и Южный полюса эклиптики. На карте чётко видна тёмная полоса, связанная с поглощением мягкого рентгеновского излучения газом и пылью в плоскости Галактики. В зоне близкой к Северному полюсу эклиптики легко удаётся отождествить богатое скопление галактик и яркий квазар с красным смещением z = 2.7.

Сейчас осуществляется четвёртое сканирование всего неба, а к декабрю 2023 г. учёные планируют получить восемь таких сканов, в итоге будет создано восемь карт всего неба в рентгеновских лучах. Суммируя их, мы увеличим “чувствительность”, а значит и информативность итоговой карты. Вместе с тем различия между восемью картами позволяют нам следить за переменностью излучений рентгеновских источников во времени, а шесть оборотов аппарата в течение суток − за “быстрой” переменностью излучения достаточно ярких объектов. В декабре 2023 г. по завершении четырёхлетней программы сканирования всего неба обсерватория перейдёт к длительным и детальным наблюдениям наиболее интересных объектов и сравнительно небольших небесных полей размером от десятков до нескольких тысяч квадратных градусов.

Следует указать, что в ходе подписания меморандума о включении немецкого рентгеновского телескопа еROSITA в состав приборов обсерватории СРГ было принято важное решение о разделе данных и прав на них, получаемых этим телескопом. “Роскосмос” и DLR договорились, что за обработку данных и публикацию результатов еROSITA на одной половине неба будут отвечать российские учёные, а на второй половине неба – немецкие. В качестве границы выбран нулевой меридиан в галактических координатах. Разграничение касается и прав на полученные результаты. Все данные телескопа ART-XC принадлежат российским учёным.

Управление спутником ведётся Центром управления НПО им. С.А. Лавочкина в Химках под Москвой, а за подготовку команд управления рентгеновскими телескопами отвечают Институт внеземной физики Общества им. Макса Планка, расположенный в Гархинге вблизи Мюнхена (в случае телескопа еROSITA), и Институт космических исследований РАН в Москве (в случае АRT-ХС). Приём полученных научных данных и передача команд на телескоп еROSITA осуществляется с помощью гигантских антенн диаметром 64 м Центра дальней космической связи “Медвежьи озёра” под Москвой и диаметром 70 м Дальневосточного центра дальней космической связи под Уссурийском. Передача команд на служебные системы платформы “Навигатор” и телескоп АRT-ХС выполняется с помощью антенн диаметром 12 м центра “Медвежьи озёра” и антенн на Байконуре.

Рентгеновская карта всего неба, полученная телескопом еROSITA в ходе первого сканирования всего неба. Для построения первой карты всего неба в рентгеновских лучах (она представлена на рисунке 4) были использованы 400 млн рентгеновских фотонов в диапазоне энергий от 300 эВ до 2.3 кэВ, зафиксированных телескопом еROSITA за первые полгода сканирования неба [1, 4]. Отмечу, что к моменту сдачи этой статьи в печать обсерватория “Спектр-РГ” завершила три с половиной скана неба, и полное число зарегистрированных рентгеновских фотонов превысило 1 млрд 400 млн. Но уже первое сканирование позволило построить карту, содержащую более 1 млн внегалактических рентгеновских источников и замечательное изображение нашей галактики Млечный Путь с множеством диффузных источников излучения.

Рис. 4.

Рекордная карта всего неба в рентгеновских лучах в диапазоне энергий 0.3–2.3 кэВ, построенная на основе данных телескопа eROSITA в ходе первого сканирования неба

В построении карты участвовали астрофизики двух научных консорциумов, обобщающих данные, получаемые с помощью телескопа еROSITA в России и Германии. Каждый консорциум создал карту для одной половины неба (главную роль в этом сыграли член-корреспондент РАН М.Р. Гильфанов, академик РАН Е.М. Чуразов (ИКИ РАН), доктора Г. Бруннер и Дж. Сандерс (МПЕ). По решению Объединённого научного комитета карты (в проекции Аитова) были совмещены и образовали единую карту всего неба, оказавшуюся лучшей в истории рентгеновской астрономии как по чувствительности, так и по угловому разрешению. Карта выполнена в трёх цветах: фотоны различных энергий представлены красным (300−600 эВ), зелёным (от 600 эВ до 1.0 кэВ), синим (1−3 кэВ) (см. электронную версию журнала “Вестник РАН” с цветными изображениями в открытом доступе на сайте ИКЦ “Академкнига”: https://sciencejournals.ru/journal/vestnik/). Таким образом, карта позволяет оценивать температуру излучающего газа в диапазоне от трёх до десятков миллионов градусов.

В самом центре карты расположена сверхмассивная чёрная дыра SGR A٭ − около 4 млн масс Солнца, но это очень слабый источник. В центральной плоскости карты лежит диск Млечного Пути − невооружённым глазом мы обычно наблюдаем его в виде яркой диффузной полосы на небе. Однако в рентгеновских лучах Млечный Путь выглядит как тёмная полоса, поскольку атомарный и молекулярный межзвёздный газ и пыль в плоскости нашей Галактики поглощают мягкие рентгеновские лучи. Голубые яркие точки вблизи плоскости Галактики демонстрируют наличие сотен ярких и мощных рентгеновских источников в Млечном Пути – рентгеновских пульсаров, аккрецирующих чёрных дыр, нейтронных звёзд и белых карликов в двойных звёздных системах, а также остатков вспышек сверхновых.

Обращает на себя внимание ряд хорошо известных рентгеновских источников. Среди них скопления галактик в созвездиях Волосы Вероники, Дева, Персей, протяжённые галактические источники, такие как остатки вспышек сверхновых, область звездообразования в созвездии Орион и первый из зарегистрированных ярчайший (после Солнца) источник рентгеновских лучей Скорпион Х-1.

Хорошее угловое разрешение (около 25 секунд дуги) и высокая чувствительность телескопа еROSITA позволили уже по данным первого скана неба обнаружить и нанести на карту свыше 1 млн компактных и около 20 тыс. протяжённых источников рентгеновского излучения. Столь большое количество объектов невозможно отобразить на журнальном рисунке. Лишь самые яркие из них видны как белые точки, разбросанные по всему небу.

Первый обзор неба, произведённый обсерваторией “Спектр-РГ” телескопами АRT-ХС и еROSITA, показал следующее.

• Три четверти точечных объектов на карте – это квазары и ядра активных галактик, то есть сверхмассивные чёрные дыры, излучающие за счёт аккреции (падения) на них вещества. Они находятся в сотнях миллионов и миллиардах световых лет от нас (о дисковой аккреции на чёрные дыры см. статью [5]).

• Кроме этого мы видим более 200 тыс. звёзд нашей Галактики с коронами более активными, чем у Солнца. Оптические каталоги звёзд астрометрического спутника GAIA (Европейское космическое агентство), измеряющего параллаксы звёзд и их собственное движение на небе с высочайшей точностью, позволяют отделять звёзды от квазаров и ядер активных галактик. У далёких внегалактических объектов зафиксировать их передвижение на небе невозможно.

• Среди протяжённых объектов доминируют скопления галактик. Это самые массивные гравитационно связанные объекты во Вселенной: 80% их массы в 10¹⁴−10¹⁵ масс Солнца составляет невидимое “тёмное вещество”, определяющее параметры потенциальной “ямы” скопления. Астрономы исследуют сотни и тысячи галактик, входящих в их скопления и движущихся в потенциальной “яме” со среднеквадратичной скоростью около 1000 км/сек. Суммарная масса звёзд в этих галактиках составляет лишь 3−4% массы всего скопления. Рентгеновские лучи испускает горячий межгалактический газ, заполняющий скопление (его температура от десятков до сотен млн градусов, а масса ~15% массы всего скопления).

Наблюдение распределения газа в гравитационной “яме” позволяет детально исследовать её свойства и затем рассчитать распределение тёмного вещества в скоплении галактик, наблюдения же изменения количества таких скоплений с увеличением красных смещений линий в спектрах галактик, входящих в скопления, − зафиксировать темп формирования скоплений галактик и роста крупномасштабной структуры Вселенной вплоть до z = 2. Уже первый обзор всего неба позволил нанести на карту более 15 тыс. скоплений галактик на различных красных смещениях. Обнаружение около 100 тыс. скоплений, а это, по оценкам теоретиков, практически все скопления в наблюдаемой части Вселенной, − одна из главных целей проекта “Спектр-РГ”.

Гигантские “пузыри” горячего газа, выброшенного из центральной области Галактики около 50 млн лет назад. Первая карта, опубликованная командой учёных, обрабатывающих данные телескопа еROSITA, открывает возможность увидеть во всей красе гигантские “пузыри” горячего газа с температурой до 10 млн градусов над и под диском Млечного Пути (см. рис. 4). С помощью этого телескопа учёные обнаружили рентгеновские линии высокозарядных ионов, ударные волны, измерили температуру газа. Скорее всего, этот выброс газа был результатом взрывов около 50 млн лет назад сотен тысяч сверхновых или активности на протяжении нескольких миллионов лет аккрецирующей сверхмассивной чёрной дыры в центре нашей Галактики. По-видимому, выброс газа привёл к образованию ярких “пузырей”, окружающих уже хорошо известные “пузыри”, открытые телескопом “Ферми” (НАСА) в гамма-лучах, возникающих при взаимодействии космических лучей с окружающим газом (рис. 5) [4].

Рис. 5.

Наложение карт нашей Галактики, полученных телескопами SRG/еROSITA и “Ферми” (НАСА) [4]. Диффузное рентгеновское излучение, регистрируемое телескопом еROSITA (0.6–1 кэВ), обозначено голубым цветом, окружает область более жёсткого излучения (гигаэлектронвольты, обозначено красным), получившую название “пузыри Ферми” − а; поясняющая схема – б, кпк – килопарсек (1 кпк = 3 тыс. световых лет)

Открытие квазаров на больших красных смещениях. Среди двух миллионов квазаров, обнаруженных телескопом еROSITA и нанесённых к настоящему времени на рентгеновскую карту неба, особый интерес представляют объекты с большим красным смещением z > 4, свет от которых идёт к нам более 10 млрд лет (рис. 6 а, б). Современные математические методы машинного обучения и использование нейронных сетей позволяют, используя данные глубоких фотометрических обзоров неба в оптическом и инфракрасном диапазонах, получаемых с помощью систем телескопов Pan-STARRS, SDSS, DESI Legacy Imaging Surveys, WISE (США), выбирать рекордно далёкие от нас объекты среди миллионoв рентгеновских источников, наблюдаемых телескопом еROSITA. При таком анализе из миллиардов оптических объектов отбираются лишь те, которые находятся в пределах 10 угловых секунд от рентгеновских источников, а уже из них по отношениям яркости в различных фотометрических фильтрах выбираются кандидаты в квазары на больших красных смещениях. После этого в игру вступают наземные оптические телескопы, получающие детальные спектры излучения отобранных объектов [6–10]. В 85−90% случаев оптические спектры подтверждают выбор, сделанный при расчётах с помощью программ машинного обучения, но с гораздо более высокой точностью.

Рис. 6.

Оптические спектры трёх ранее неизвестных квазаров на красном смещении z > 4.

Детальная спектроскопия на крупнейшем российском оптическом телескопе в САО РАН (верхняя треть рисунка), российско-турецком телескопе вблизи Антальи (средняя часть) и телескопе Иркутского научного центра РАН в Саянах (нижняя треть) [6–9] − а

Оптический спектр квазара SRGEJ170245/2+130107, открытого с помощью телескопа еROSITA, полученный на шестиметровом оптическом телескопе БТА САО РАН на Кавказе. Вертикальные пунктирные линии демонстрируют позиции пиков эмиссионных линий квазара с красным смещением z = 5.466 [10]. Длины волн всех линий сдвинуты в красную сторону в 6.5 раза. Кандидат физико-математических наук П. Медведев (ИКИ РАН) открыл по данным телескопа еROSITA в рентгене квазар на z = 6.18, светивший ещё тогда, когда Вселенная была почти в 20 раз моложе её нынешнего возраста, но масса этого квазара уже была близка к 1 млрд солнечных масс [11] − б

Комплекс программ SRGz для решения этой задачи был разработан в ИКИ РАН кандидатом физико-математических наук А.В. Мещеряковым, его аспирантами и студентами с целью определения красных смещений всех 3 млн квазаров из каталога телескопа еROSITA, открываемых в ходе восьми сканов неба, причём с точностью, достаточной для использования в космологических тестах. Для наземной спектроскопии эта задача в настоящее время непосильна.

Телескопы обсерватории “Спектр-РГ”. Российский телескоп АRT-XC (рис. 7) был задуман и реализован под руководством доктора физико-математических наук Михаила Николаевича Павлинского (1959−2020), вся научная биография которого связана с ИКИ РАН, последняя его должность − заместитель директора института по проекту “Спектр-РГ”, заведующий отделом астрофизики высоких энергий. Теперь телеcкоп АRT-XC носит имя своего создателя [2].

Рис. 7.

Телескоп косого падения АRT-ХС им. М.Н. Павлинского. Доктор физико-математических наук М.Н. Павлинский − ключевая фигура в создании первого в России рентгеновского телескопа с оптикой косого падения

Рентгеновские лучи поглощаются поверхностью зеркал АRT-XC и отражаются ими лишь под очень малыми углами к их поверхности (в диапазоне чувствительности телескопа еROSITA эти углы близки к одному градусу дуги, а у АRT-XC они ещё меньше). Необходимо отметить, что в 1952 г. немецкий учёный Г. Вольтер опубликовал схему телескопа на основе оптики косого падения, позволяющего фокусировать рентгеновские лучи. Эта схема требует два рассеяния каждого рентгеновского фотона − сначала на тщательно отполированном параболоиде, а затем на гиперболоиде с таким же высоким качеством поверхности. АRT-XC и еROSITA имеют по семь зеркальных модулей. В каждом зеркальном модуле АRT-XC по 28 соосных оболочек. Зеркальные модули телескопа еROSITA оснащены 54 оболочками (рис. 8). В фокусе каждого модуля установлен позиционно чувствительный детектор рентгеновских фотонов. Это ПЗС-матрица в случае еROSITA и детектор на базе кристаллов CdTe в случае АRT-XC. Детекторы АRT-XC и их электроника созданы в ИКИ РАН в группе В.В. Левина и прекрасно показали себя в ходе двух лет непрерывной работы в космосе, так же как и все остальные системы этого телескопа.

Рис. 8.

Зеркала телескопа eROSITA

В России освоено и производство зеркальных модулей для рентгеновских телескопов. Однако к моменту начала испытаний всей обсерватории в сборе российские зеркала ещё не были доведены до желательных параметров, поэтому на лётном телескопе АRT-XC установлены рентгеновские зеркала производства Центра космических полётов им. Дж. Маршалла (НАСА). Взамен американские учёные получили право на совместную с российскими обработку и анализ данных небольшой области неба вблизи северного полюса эклиптики. РФЯЦ ВНИИ экспериментальной физики в Сарове был ответственным за конструкцию, интеграцию и значительную часть испытаний телескопа АRT-XC.

За год сканирования неба команда телескопа АRT-ХС получила отличный результат – благодаря первым двум сканам обнаружено около 800 жёстких рентгеновских источников [12] (рис. 9). Подобные результаты другие спутники, работающие в том же диапазоне энергий, демонстрировали лишь после нескольких лет работы в космосе (рис. 10). Сегодня, после двух лет успешного функционирования обсерватории “Спектр-РГ”, команда ART-ХС полагает: в результате восьмикратного сканирования неба она сможет нанести на карту до 3000 источников, что станет рекордным результатом в диапазоне 4−12 кэВ.

Рис. 9.

Позиции (в галактических координатах) рентгеновских источников, зафиксированных ART-XC в полосе 4−12 кэВ в ходе первого сканирования неба [1, 12]

60% этих источников − галактические (чёрные дыры, нейтронные звёзды, белые карлики, коронально активные звёзды, остатки вспышек сверхновых и т.д.), а 40% − внегалактические (ядра галактик и несколько десятков массивных скоплений галактик). Уже открыто несколько десятков транзиентных источников (это объекты, появляющиеся и исчезающие на рентгеновском небе)

Рис. 10.

Эффективная площадь телескопов (см²) еROSITA и АRT-XC как функция энергии рентгеновских фотонов

Для сравнения приведена эффективная площадь американского телескопа с оптикой косого падения NuSTAR, созданного в Калифорнийском технологическом институте, Колумбийском университете и Лаборатории реактивного движения. АRT-XC и NuSTAR чувствительны к более жёстким рентгеновским лучам, чем еROSITA. Преимуществом АRT-XC по сравнению с NuSTAR является заметно большее поле зрения телескопа, что очень важно при сканировании неба

Телескоп ART-ХС имеет отличное временно́е разрешение (23 мкс), что делает его очень эффективным прибором для наблюдений рентгеновских пульсаров. Отметим, что время считывания ПЗС-матриц еROSITA близко к 50 мс, то есть в 2 тыс. раз хуже. За два года работы на орбите ART-ХС позволил открыть свыше десяти транзиентных рентгеновских источников, вспыхнувших на “рентгеновском небе”. Эти результаты опубликованы в лучших астрономических журналах мира.

Зачем потребовались восемь последовательных сканов всего неба в рентгеновских лучах? Ещё до запуска научные комитеты орбитальной обсерватории “Спектр-РГ” договорились провести восемь последовательных сканов всего неба, отведя на их выполнение четыре года. Естественно, возникает вопрос, а для чего это нужно астрономам?

1. Если сложить результаты восьми сканов с учётом “чувствительности” карты, количество зафиксированных рентгеновских фотонов и нанесённых на карту рентгеновских источников существенно возрастёт. Появится намного больше деталей, удастся построить подробные спектры излучения для громадного числа точечных и протяжённых источников излучения.

Мы рассчитываем приблизиться к поставленной цели миссии: обнаружить около 100 тыс. массивных скоплений галактик, то есть практически все, присутствующие в доступной для наблюдений Вселенной. Подобные оценки числа массивных скоплений в пределах горизонта ct, где t – время, прошедшее с начала её расширения, дают результаты компьютерного моделирования роста крупномасштабной структуры Вселенной. Зная распределение этих скоплений галактик по красному смещению, мы надеемся детально исследовать рост первичных возмущений плотности в расширяющейся Вселенной, который зависит, в частности, от свойств тёмной энергии и тёмного вещества. Такое количество скоплений галактик позволит исследовать барионные акустические осцилляции в их пространственном распределении.

Не менее важную роль при исследовании космологических параметров Вселенной должен сыграть и каталог из примерно трёх миллионов квазаров, которые команда еROSITA надеется открыть в ходе восьми сканов всего неба в рентгеновских лучах.

2. Наличие ряда последовательных сканов неба позволяет исследовать переменность рентгеновских источников, следить за явлениями приливного разрушения звёзд вблизи чёрных дыр.

“Спектр-РГ” уже завершил три полных скана всего неба и около 60% четвёртого скана. В декабре 2021 г. планируется завершить и его, то есть будет выполнена половина намеченной программы. Команды учёных, работающих с данными телескопа еROSITA, надеются, что созданная в результате восьми сканов рентгеновская карта неба будет служить учёным всего мира как минимум два или три десятилетия, до тех пор, пока не будут созданы и запущены в космос ещё более чувствительные обзорные рентгеновские телескопы.

После завершения этой части программы обсерватория должна приступить к длительным (десятки и более килосекунд) наблюдениям наиболее интересных источников, открытых в ходе сканирования всего неба. Планируется также провести детальное сканирование избранных участков неба площадью от сотен до нескольких тысяч квадратных градусов в интересах космологии, внегалактической астрономии и астрофизики.

Переменность рентгеновского неба. Каждая полоска на небе (см. рис. 4) шириной в 1 градус дуги просматривается телескопами “Спектра-РГ” раз в полгода. Уже сравнение результатов первого и второго сканов всего неба продемонстрировало сильную переменность многих рентгеновских источников.

На рисунке 11 показан один из таких объектов, продемонстрировавших сильнейшую переменность за полгода. На изображении слева в пределах кружка диаметром 20 угловых секунд в первом скане не было зарегистрировано ни одного рентгеновского фотона. Изображение справа демонстрирует, что в том же самом кружке в ходе второго скана зафиксировано более сотни фотонов, то есть спустя шесть месяцев появился яркий рентгеновский источник. Ясно, что источников, изменивших свою яркость в 5 или 3 раза, намного больше.

Рис. 11.

Переменность внегалактических источников

Обычно мы детектируем ~3−5 объектов в день, которые изменили свой поток более чем в 10 раз за полгода, прошедшие с предыдущего скана (это звёзды, квазары, рентгеновские двойные в Млечном Пути). В среднем мы фиксируем одного потенциального кандидата в приливное разрушение звезды массивной чёрной дырой раз в 10 дней [13]. К их наблюдениям немедленно подключаются оптические телескопы в России, а также в США − пятиметровый Palomar под Сан-Диего, два десятиметровых в обсерватории Кекка на Гавайях и калифорнийский ZTF.

К настоящему времени с помощью телескопа еROSITA открыто более 40 явлений приливного разрушения звёзд сверхмассивными чёрными дырами в ядрах далёких галактик. На рисунке 12 показано, как нормальная звезда пролетает слишком близко от сверхмассивной чёрной дыры с массой в миллионы солнечных масс. В этой ситуации приливные силы способны разорвать звезду. Часть её вещества в виде газа улетает далеко от чёрной дыры, а другая захватывается гравитационным полем чёрной дыры, образует аккреционный диск вокруг неё и медленно (месяцы) продвигается к чёрной дыре и поглощается ею. Из-за колоссального выделения энергии в аккреционном диске центральная часть галактики, содержащей чёрную дыру, превращается в ярчайший источник рентгеновского излучения, который и фиксирует еROSITA. Команда “Спектра-РГ” немедленно сообщает точные координаты объекта оптическим астрономам, и в игру вступают российские оптические телескопы в Саянах, российско-турецкий РТТ-150 вблизи Антальи, телескоп МГУ, расположенный вблизи Кисловодска, либо шестиметровый телескоп на Кавказе (где в это время есть возможность прервать другие программы, зафиксировать следы оптической вспышки и измерить красное смещение галактики, в которой произошло приливное разрушение звезды (см. рис. 12).

Рис. 12.

Приливное разрушение звезды сверхмассивной чёрной дырой с массой в миллионы масс Солнца

Такие события происходят в галактике типа нашей чрезвычайно редко, раз в сотни тысяч лет, но галактик в окружающей нас Вселенной очень много. В результате еROSITA позволяет уверенно фиксировать такие события каждые две недели.

Наблюдения скоплений галактик и других протяжённых источников рентгеновского излучения. В качестве примера наблюдения протяжённого источника рентгеновского излучения с помощью телескопа еROSITA можно привести открытие остатка взрыва термоядерной сверхновой (термоядерного взрыва белого карлика с массой, превышающей критическую массу Чандрасекара²²) в гало нашей галактики на расстоянии в 3 килопарсека от Солнца более чем в килопарсеке над плоскостью галактики. Этот взрыв произошёл примерно 50 тыс. лет назад в области с очень низкой плотностью горячего газа. Тем не менее мы видим ударную волну, излучающую в основном в рентгеновских линиях гелиеподобного и водородоподобного кислорода (ионы кислорода лишь с двумя или одним электроном). Угловой размер этого остатка сверхновой близок к четырём градусам дуги, он не виден ни в радио, ни в оптических, ни в гамма-лучах, а вот благодаря телескопу еROSITA его удалось обнаружить [14].

Одной из важнейших целей орбитальной обсерватории является поиск скоплений галактик, наиболее массивных гравитационно-связанных объектов во Вселенной, масса которых на 80% состоит из невидимого тёмного вещества. Звёзды в сотнях галактик, входящих в их скопления, вносят лишь несколько процентов в общую массу. Около 15% даёт горячий межгалактический газ, заполняющий потенциальную “яму”, созданную тёмным веществом. Именно излучение этого горячего газа с температурой в десятки миллионов градусов наблюдает “Спектр-РГ” в рентгеновских лучах. В настоящее время с использованием телескопа еROSITA открыто уже более 30 тыс. скоплений галактик на всём небе (рис. 13).

Рис. 13.

Скопления галактик открытые телескопом еROSITA в ходе первых двух сканирований неба. Судя по полученным изображениям, это протяжённые объекты

На рисунке 14 приведён результат длительного наблюдения скопления галактик Кома в созвездии Волосы Вероники телескопом еROSITA − видно богатейшее скопление с массой около 10¹⁵ масс Солнца и близкая к нему группа галактик NGC 4839 с заметно меньшей массой [15]. Отметим, что в зоне размером 6 ∙ 6 кв. градусов на этом изображении видны более полутора десятков скоплений, находящихся далеко, на космологических расстояниях за скоплением Кома. А на рисунке 15 яркость центрального источника в скоплении галактик Кома специально сильно притушена для того, чтобы стали видны детали изображения. В результате удалось выявить положение двух ударных волн и контактного разрыва, возникшего в ходе пролёта NGC 4839 через скопление галактик Кома (траектория пролёта показана штриховой кривой). Характерное время пролёта близко к миллиарду лет [16].

Рис. 14.

Результат длительного наблюдения скопления галактик Кома в созвездии Волосы Вероники телескопом еROSITA

Рис. 15.

Следы прохождения группы галактик через скопление галактик Кома

Аэродинамика с характерным временем в 1 млрд лет [16]

٭ ٭ ٭

Орбитальная обсерватория “Спектр-РГ” продолжает круглосуточную работу в космосе. За прошедшие два года построены замечательные карты всего неба с нанесёнными на них миллионами ранее неизвестных галактических и внегалактических рентгеновских источников различной природы. Учёные, уже получившие громадный объём данных с важнейшей информацией о крупномасштабной структуре Вселенной, её эволюции во времени, надеются исследовать дипольную анизотропию и барионные акустические осцилляции в распределении квазаров и скоплений галактик по небу, получить новые ограничения на массу нейтрино, а также продвинуться в понимании природы тёмной материи и тёмной энергии. Параллельно широким фронтом ведутся исследования переменности рентгеновских источников, дающие уникальную информацию о свойствах аккреционных дисков и физических процессах вблизи чёрных дыр с массами до миллиардов солнечных, нейтронных звёзд с магнитными полями от 10⁶ до 10¹⁴ Гс, об ускорении космических лучей. Все эти работы чрезвычайно важны для астрофизики высоких энергий и релятивистской астрофизики.

Серьёзную роль в успехе миссии играет её поддержка наземными российскими и зарубежными оптическими и радиотелескопами. Следует отменить отличную оперативную работу коллективов, обеспечивающих успешное функционирование обсерватории: крупнейшего в России шестиметрового телескопа БТА Специальной астрофизической обсерватории РАН на Северном Кавказе, российско-турецкого полутораметрового телескопа на юге Турции, телескопа Иркутского научного центра РАН с диаметром зеркала 1.6 м в Саянах, нового телескопа вблизи Кисловодска (диаметр зеркала 2.5 м) Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга МГУ. Все они вовлечены в изучение наиболее интересных объектов, открываемых рентгеновскими телескопами “Спектра-РГ”.

Следует отметить, что для изучения самых далёких объектов привлекаются и крупнейшие в мире инструменты, такие как два десятиметровых телескопа Кекка на Гавайях, четыре восьмиметровых оптических телескопа VLT Европейской южной обсерватории в Чили, десятиметровый телескоп в Южной Африке. Параллельно со “Спектром-РГ” успешный поиск скоплений галактик в миллиметровом диапазоне волн по SZ-эффекту³³ ведут исследователи с использованием американских десятиметрового телескопа на Южном полюсе Земли и шестиметрового Атакамского космологического телескопа, располагающегося на высоте 5 км в Чили. Сравнение рентгеновских данных и проявлений SZ-эффекта открывает немало возможностей при их детальном анализе из-за различных зависимостей потока в рентгене и “тени” в микроволновом диапазоне от плотности и температуры горячего газа в скоплениях и радикального отличия в зависимости от красного смещения, на котором находится скопление. Разумеется, между научными коллективами идёт серьёзное соревнование за приоритет в открытиях, но они сотрудничают при интерпретации данных наблюдений в столь разных диапазонах длин волн фотонов, как радио и рентген.

Успешное сотрудничество коллектива учёных, занятых обработкой данных с телескопа eROSITA, с коллегами, анализирующими данные с низкочастотного радиоинтерферометра LOFAR в Нидерландах, оказалось чрезвычайно полезным при исследовании свойств радиоизлучения группы галактик с горячим межгалактическим газом и сверхмассивной чёрной дырой в её центре (рис. 16). Наблюдения подтверждают, что группа галактик NEST200047 обладает горячей газовой атмосферой, излучающей рентгеновские лучи. В её центре находится гигантская эллиптическая галактика, ядро которой является ярким радиоисточником. Это типичные компоненты для группы галактик, в которой центральная чёрная дыра играет важную роль. Но NEST200047 оказалась совершенно особенной − радиоизлучение исходит не только от центра, но и от богатой и сложной системы волокон, покрывающих область протяжённостью более 200 килопарсеков. В ней видны структуры, напоминающие вихревые кольца. Они похожи на те, что были ранее обнаружены в знаменитой галактике M87, но в десять раз больше по своим размерам. Радио- и рентгеновские изображения демонстрируют, что плазма, выброшенная сверхмассивной чёрной дырой, была деформирована сложными движениями, длившимися более 100 млн лет, но за всё это время она не полностью перемешалась с окружающей тепловой плазмой, скорее всего, из-за присутствия динамически важного магнитного поля. Рентгеновские данные, полученные в ходе первых двух сканов неба телескопом eROSITA, продемонстрировали влияние “пузырей” в газе на структуру впечатляющего изображения в радиолучах, полученного LOFAR. Характерные длины волн этих телескопов различаются примерно в 5 млрд раз, и данные двух обсерваторий прекрасно дополняют друг друга.

Рис. 16.

Изображения группы галактик NEST200047 в радио- (а) и рентгеновском (б) диапазонах, полученные соответственно радиоинтерферометром LOFAR на частоте 144 МГц и телескопом SRG/eROSITA в диапазоне 0.5–2.3 кэВ

Размер сложных структур, видимых в радиодиапазоне, составляет более 1.5 млн световых лет. В центре группы расположена сверхмассивная чёрная дыра, окружённая атмосферой горячего газа, излучающего в рентгеновском диапазоне. Охлаждение газа приводит к аккреции вещества на чёрную дыру, которая, в свою очередь, надувает “пузыри” релятивистской плазмы, видимые в радиодиапазоне, и нагревает газ. В самом центре группы газ образует яркую полоску, перпендикулярную оттокам релятивистской плазмы, видимым в радиодиапазоне. На чуть бо́льших масштабах пузыри релятивистской плазмы окружены газовыми оболочками

Изображения из статьи [17]

Об этих исследованиях подробно рассказывается в статье, публикуемой в журнале “Nature Astronomy” [17], а всего за два года работы обсерватории “Спектр-РГ” опубликовано более 100 статей в ведущих астрофизических журналах мира и России⁴⁴.

5 июля 2021 г., в первый день работы XVI Международной конференции имени Марселя Гроссмана, проходившей в Италии в режиме онлайн и собравшей более 1200 участников, Научно-производственному объединению им. С.А. Лавочкина, Институту внеземной физики Общества им. Макса Планка и Институту космических исследований РАН была вручена престижная международная награда в области релятивистской астрофизики. Премии имени Марселя Гроссмана, математика и соавтора Альберта Эйнштейна, эти организации удостоены “за создание лучшей в мире карты всего неба в рентгеновских лучах, за открытие миллионов неизвестных ранее сверхмассивных чёрных дыр на космологических расстояниях, за регистрацию рентгеновского излучения от десятков тысяч скоплений галактик, заполненных в основном тёмным веществом, и за возможность детального исследования роста крупномасштабной структуры Вселенной в эпоху доминирования тёмной энергии”.